Fe/Si 比對稀土處理工業純鋁組織性能的影響①

靳 東， 陽慎蘭， 趙 輝， 楊長龍， 陳保安， 丁 一， 祝志祥， 韓 鈺

(1.中南大學 材料科學與工程學院,湖南 長沙410083； 2.國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司,遼寧 沈陽110042； 3.全球能源互聯網研究院有限公司,北京102209)

工業純鋁具有導電率較高、比強度高、耐蝕性能良好、價格低廉等優點,被廣泛應用于制備鋼芯鋁絞線的導體材料［1-2］。 Fe、Si 元素作為工業純鋁中固有的雜質元素,會降低導電性能,并影響其力學性能［3］。 研究表明,合適的Fe/Si 比能夠使工業純鋁獲得力學性能和導電性能的良好匹配［4-5］。 目前相關研究主要集中在高Fe/Si 比對工業純鋁性能的影響上［6-8］,本文著重探究低Fe/Si 比對稀土處理工業純鋁組織和性能的影響,為硬鋁導線的工業化生產提供借鑒。

1 實驗材料及方法

以純度大于99.7%的工業純鋁(下文若無特殊說明均表示質量分數)、Al-20%Si 中間合金以及Al-10%Mm(Mm 為La/Ce 混合稀土,w(La) ∶w(Ce)= 35% ∶65%)為原料,通過改變Si 添加量,設計了10 種不同Fe/Si 比的合金,其中La/Ce 混合稀土(Mm)的添加量均為0.1%。 采用坩堝電阻爐進行合金熔煉,將工業純鋁在720 ℃下熔化,加入Al-20%Si 和Al-10%Mm 中間合金,經攪拌、除氣、靜置后,700 ℃下進行水冷澆鑄,獲得合金鑄錠。 采用電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)測試合金中的Fe、Si 含量。 表1 為合金的實際成分以及計算獲得的Fe/Si 比。

表1 合金的實際成分及Fe/Si 比

試樣經機械拋光后,進行陽極覆膜,覆膜液的成分為97 mL 去離子水+1.1 mL H3BO3+3 mL HF,采用Leica DMI300 M 金相顯微鏡(OM)對合金進行組織觀察；采用FEI Quanta-200 型掃描電子顯微鏡(SEM)的背散射模式對合金的第二相形貌及分布進行觀察；采用JEOL JXA-8230 型電子探針(EPMA)對合金進行成分分析。

采用MTS810 型萬能試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸速率為2 mm/min,圖1 為拉伸試樣示意圖。 每種合金取3 個平行試樣,以平均值作為實驗值。 采用Sigma 2008A1 型渦流電導儀測量電導率,測試頻率為60 kHz,測試溫度20 ℃,每個試樣測量3 組數據,取平均值作為實驗值。

圖1 拉伸試樣示意圖（單位：mm）

2 結果與分析

2.1 不同Fe/Si 比合金的強度和導電率

圖2 為不同Fe/Si 比合金的屈服強度和導電率。由圖2 可以看出,隨著Fe/Si 比增大,合金屈服強度總體上不斷降低,導電率不斷增加。 當Fe/Si 比小于1.00時,合金屈服強度和導電率變化幅度較大；當Fe/Si 比大于1.00 時,合金屈服強度和導電率變化幅度較小。 由圖2 還可以看出,工業純鋁(Fe/Si 比為2.6)導電率最高,但屈服強度最低；添加Si 元素,使Fe/Si 比為0.20,合金導電率最低為55.3%IACS,但是屈服強度最高,達到90.6 MPa。 根據圖2 中合金強度和導電率的變化趨勢,可以通過改變Si 添加量來調節鋁導體材料的強度-導電率關系,設計滿足服役需求的鋁導體合金成分。

圖2 不同Fe/Si 比合金的屈服強度和導電率

2.2 Fe/Si 比對合金顯微組織的影響

圖3為不同Fe/Si 比合金鑄態組織的金相照片。由圖3 可以看出,隨著Fe/Si 比增加,晶粒尺寸逐漸增加。 Fe/Si 比為0.20 或0.59 時,合金晶粒尺寸較小,平均尺寸約為100 μm,合金強度較高但導電率較低；Fe/Si比為1.00 時,合金晶粒尺寸有所增加,約為300 μm,合金強度有所下降,導電率上升；Fe/Si 比為1.44 或2.60時,合金晶粒尺寸明顯增大,平均晶粒尺寸大于800 μm,并且在晶粒內可以看到明顯的枝晶組織,此時,合金的強度很低,導電率較高。 結合圖2 和圖3 可知,當Fe/Si比小于1.00 時,合金晶粒尺寸較小,根據Hall-Petch 關系,晶粒尺寸越小,細晶強化作用越明顯,合金強度越大；當Fe/Si 比大于1.00 時,晶粒尺寸較大,合金強度較低。

圖3 不同Fe/Si 比合金鑄態組織的金相照片

圖4 不同Fe/Si 比合金第二相的SEM 照片

圖4 為不同Fe/Si 比合金第二相的SEM 照片。 由圖4 可以看出,Fe/Si 比會對晶界和晶內的第二相形貌產生影響。 Fe/Si 比小于1.00 時,合金的晶內出現少量球狀相,晶界處產生了連續分布的長條狀或針狀形貌初生相,這種相通常會割裂基體,成為裂紋萌生源,降低合金的力學性能和加工性能［5］。 Fe/Si 比為1.00時,合金晶內未觀察到第二相,而晶界處的第二相仍為長條狀或針狀,但晶界第二相呈現不連續分布。 Fe/Si比為1.44 時,晶界上的條狀或針狀的第二相明顯減少,并產生了球狀第二相。 Fe/Si 比為2.60 時,晶界上產生了較多的點狀第二相。 通常當鋁導體材料中Fe/Si 比大于1.00 時,會形成α-AlFeSi 相,具有魚骨狀或不規則片狀［5,9］,但在圖4(d)～(e)中并未觀察到這種形貌的第二相,表明添加的混合稀土能夠改善第二相的形貌。

硬鋁導線的性能與合金中雜質元素的含量及存在形式密切相關,通過改變合金鑄坯的Si 含量來改變Fe/Si 比,并加入適量的混合稀土,會使合金中雜質相種類和形貌發生改變。 一般來說,固溶在基體中的雜質元素對晶格勢場的周期性破壞較大,自由電子的運動受阻導致材料的導電性能下降。 通過合金化的方法可以使固溶在基體中的雜質元素析出與其他元素形成穩定的第二相,改善合金的導電性能［10］。

采用電子探針分別對Fe/Si 比為0.59 和1.44 的合金進行成分分析,結果如圖5 所示。 當Fe/Si 比為0.59 時,Fe 元素主要在晶界和晶內的第二相上偏聚,表明Fe 元素主要以化合態形式存在,Si 元素在初生相上也有部分富集,說明Si 和Fe 化合形成了AlFeSi 初生相,La、Ce 元素主要分布于部分晶內第二相上。 當Fe/Si 比為1.44 時,合金晶粒內和晶界上出現了球狀初生相,Fe 元素在晶界和晶內的初生相均有富集,Si元素均勻分布,La、Ce 元素在晶內和晶界初生相上均有分布。

為進一步分析Fe/Si 比為0.59 和1.44 合金中第二相的成分,分別對圖5(a)、(b)所示的晶內晶界第二相進行了能譜分析,結果如表2 所示。 由表2 可以看出,Fe/Si 比為0.59 時,晶界處的第二相包含Al、Si、Fe 和少量的Ce 元素,并且Fe 含量高于Si 含量,表明晶界初生相為α-AlFeSi 相。 晶內第二相包含Al、Si、Fe、La、Ce 元素,其中Si 含量高于Fe 含量,表明晶內初生相為β-AlFeSi 相,并且La、Ce 元素參與了晶內初生相的形核長大過程。 當Fe/Si 比為1.44 時,晶界和晶內第二相的Fe 含量均高于Si 含量,表明晶界和晶內初生相均為α-AlFeSi 相,并且晶內的球狀初生相上存在La、Ce 元素的富集,說明La、Ce 元素能夠對晶內第二相產生變質作用,改變第二相的形貌［10-11］。 進一步觀察表2 可知,對于Fe/Si 比為0.59 的實驗合金,晶內第二相所含混合稀土的含量高于Fe/Si 比1.44 的實驗合金,說明當Fe/Si 比小于1.44 時,混合稀土Mm 更容易與實驗合金中的雜質元素形成復雜的第二相,從而降低基體中固溶的雜質元素含量,提高實驗合金的導電率。

圖5 Fe/Si 比為0.59 和1.44 時合金SEM 照片及EPMA 面掃描照片

表2 Fe/Si 比為0.59 和1.44 時合金第二相成分分析結果（質量分數）/%

3 結 論

1) 隨著Fe/Si 比增大,合金屈服強度總體呈下降趨勢,導電率逐漸上升,說明Si 元素的增加能夠提高合金強度,但會降低導電性能。

2) 當Fe/Si 比不大于1.00 時,晶粒尺寸較小,平均尺寸低于300 μm,合金的強度較高,導電率較低；當Fe/Si 比大于1.00 時,晶粒較為粗大,晶粒尺寸大于800 μm,合金的強度較低,導電率較高。

3) SEM 觀察和能譜分析結果表明,Fe 元素主要在晶界和晶內第二相中聚集分布,Si 元素呈點狀均勻分布,La、Ce 會在第二相上偏聚,并對第二相產生變質作用。